発生過程の胚での最初の遺伝子発現のきっかけを作る重要なヒストン修飾を発見

要点

• 発生過程の生きたままの胚で、転写活性化とヒストン修飾の変化を追跡することに成功。
• 胚ゲノムからの最初の転写に、ヒストンH3の27番目リシン残基のアセチル化修飾が重要な役割を果たしていることを確認。

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 細胞制御工学研究センターの木村宏教授の研究グループ（佐藤優子助教、小田春佳日本学術振興会特別研究員）は、マックスプランク研究所（ドイツ）、ジャネリア・リサーチキャンパス（米国）、ニューヨーク大学（米国）の研究グループとの国際共同研究により、発生過程の生きたゼブラフィッシュ胚において、転写活性化とヒストン修飾の変化を観察することに成功しました。さらに、取得した画像の定量解析により、ヒストンH3の27番目リシン残基のアセチル化修飾が胚ゲノム活性化に重要な役割を果たしていることを明らかにしました。

今回の研究により、生物個体の発生や分化の過程での遺伝子発現の制御には、ヒストンのアセチル化が重要であることが示されました。また、研究チームが開発したタンパク質修飾の生細胞観察手法の有用性が実証され、アセチル化修飾の詳しい仕組みの解明を目指す今後の研究への活用が期待されます。

この成果は9月30日付でDevelopment誌に掲載されました。

研究の背景

有性生殖^[用語1]では、卵子と精子が受精すると、それぞれが持つDNAが混ざり合い、「胚ゲノム」となります。受精後しばらくの間は、この胚ゲノムが眠った状態（転写活性がない状態^[用語2]）で胚発生が進みます。この間は、卵子に蓄積されていたRNAやタンパク質（母性因子）を使って細胞機能が営まれます。母性因子の貯蓄がなくなるころ、胚ゲノムは目覚め、大規模な転写の活性化がおこり、細胞の分化^[用語3]が始まります（図1）。この胚ゲノムの活性化は古くから知られた現象ですが、それがどのように制御されているのかについては、未だ不明な部分が多く残されています。最近の研究から、ヒストン修飾^[用語4]による活性化の制御が重要であることが示唆されていました。

研究成果

木村教授の研究グループはこれまで、RNAポリメラーゼ（転写を行う酵素）やヒストン（DNAと強く結合するタンパク質）などの翻訳後修飾を、部位特異的に認識するモノクローナル抗体を作出してきました。また、これらのモノクローナル抗体から生細胞プローブ^[用語5]を開発し、修飾動態の変化を計測するシステムFabLEM（Fab-based Live Endogenous Modification Labeling）を構築しました。今回木村教授の研究グループは、ゼブラフィッシュ胚にFabLEMを適用し、転写活性化とヒストン修飾のダイナミクスを、発生過程の生きた胚の中で追跡することに成功しました（図2）。さらに、国際共同研究により取得した蛍光顕微鏡画像の定量解析を行い、胚ゲノムの活性化において、ヒストンH3の27番目リシン残基のアセチル化修飾が重要な役割を果たしていることを明らかにしました。特に、胚ゲノム活性化の初期に高レベルで発現するmiR-430遺伝子クラスター^[用語6]上で、アセチル化修飾と活性型RNAポリメラーゼが順番に濃縮する様子を詳しく観察することができました（図3）。また、RNAポリメラーゼを阻害してもヒストンのアセチル化修飾が集積するのに対して、アセチル化ヒストンに結合するタンパク質を阻害すると転写が起こらなくなることも確認しました。

本研究は、生物個体の発生や分化の過程における遺伝子発現の制御にヒストンのアセチル化が重要であることだけでなく、研究グループが開発したタンパク質修飾の生細胞観察手法が広く応用可能であり、今後の研究に有用であることも示しました。

今後の展開

今回、ヒストンのアセチル化修飾が胚ゲノムの転写活性化を引き起こすことが明らかになりました。しかし、アセチル化修飾によって胚ゲノムに具体的にどのような変化が起きているのか、アセチル化修飾がどのようなきっかけで上昇するのかなど、まだたくさんの疑問が残されています。今後も生細胞プローブを使って、このような問題をひとつずつ紐解いていく予定です。

論文情報

掲載誌 :	Development
論文タイトル :	Histone H3K27 acetylation precedes active transcription during zebrafish zygotic genome activation as revealed by live-cell analysis
著者 :	Yuko Sato, Lennart Hilbert, Haruka Oda, Yinan Wan, John M. Heddleston, Teng-Leong Chew, Vasily Zaburdaev, Philipp Keller, Timothee Lionnet, Nadine Vastenhouw, and Hiroshi Kimura
DOI :	10.1242/dev.179127

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